基于步態的下肢康復用外骨骼機器人運動分析

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(1.武漢理工大學，湖北 武漢 430070；2.中國科學院深圳先進技術研究院，廣東 深圳 518055)

0 引言

本課題來源于中國科學院深圳先進技術研究院戰略性研究：穿戴式下肢外骨骼機器人項目。

“外骨骼機器人”(Exoskeleton Robot)是指套在人體外面的機器人，也稱“可穿戴的機器人”。外骨骼是指為生物提供保護和支持的堅硬外部結構[1]，一般指昆蟲或甲殼類動物身體外表的骨骼，具有支撐和保護作用。隨著科技的進步以及仿生學的發展，人體外骨骼的研究開始受到學者們的廣泛關注。人體下肢外骨骼機器人是一種可以穿戴，以人為主、機械為輔的人機一體化機械裝置[2-3]。不僅具備保護人體和支持人體結構的功能，還大大增強了人體的力量、速度和耐力[4]。外骨骼機器人技術是融合傳感、控制、信息、融合、移動計算，為作為操作者的人提供一種可穿戴的機械機構的綜合技術。很早就有提及穿戴在人體外表、具備動力，借以幫助癱瘓者實現行走，這樣的裝備即被稱作外骨骼機器人。理想的外骨骼機器人除了能夠對使用者實行基本的走路，奔跑，及向前后任意彎曲，軍用的還需提供防護并增強使用者的負重和運動能力，最好還可以飛行。

下肢康復用外骨骼機器人是針對下肢行走不便患者康復訓練以及行走所設計的一種外骨骼機器人。它突破了由專門的康復訓練師陪同訓練等昂貴的傳統康復治療方法，依托于一種更加智能的、自主的、有效的以及無后遺癥的康復訓練方式，這無論是對患者自身來說，還是對社會都是一種福音，具有重要的現實意義[5]。有關研究表明，下肢康復用外骨骼機器人是目前最為有效、最為先進的康復訓練方案[6]。在外骨骼機器人研制方面，國外主要是美國、日本頗見成效，國內清華大學、哈爾濱工業大學、中科院合肥智能機械研究所等在此領域也做了深入的研究。其中仿真大部分只對機器人的受力(如髖關節和膝關節的力矩等)進行仿真分析，仿真結果僅僅表明外骨骼能夠滿足人體運動以及其運動學分析和建模方法正確合理。然而針對殘障人士而言，其步態與正常人還是有很大區別的，且步態特征對下肢殘障人士運動有著重大的意義。

Adams軟件是專門用于機械產品中虛擬產品開發方面的軟件，通過建立多體動力學模型和虛擬試驗，在產品開發階段就可以幫助設計者發現設計缺陷，并提出改進方法。Adams研究復雜系統的運動學和動力學關系，它以計算多體動力學為理論基礎，結合高性能計算機來對產品進行仿真計算，得到各種性能數據，幫助設計者發現問題并解決問題[6-7]。

本文著重通過對人體下肢運動機理研究，提出了殘障人士的步態設計的特征，并用Adams軟件對外骨骼機器人進行運動學和動力學仿真分析。

1 人體下肢運動機理研究

人體下肢可以實現多種多樣的運動，這是由于人體下肢關節的基本運動組合而形成的[8]。正常人的行走主要是靠骨骼、關節以及肌肉三者之間互相作用實現的，其中骨骼起著杠桿的作用，關節起著杠桿之間運動副的作用，而肌肉則起著動力的作用。

人體行走行為必需的兩個要素：一是雙腳周期性的移動支撐位置;二是地面足夠的反作用力支撐身體[9]。本文對人體下肢運動機理的研究主要是研究下肢步態特征。

(1)步態周期分析

人的行走具有周期性、協調性和左右腿對稱的特點，并且運動基本是在矢狀面內完成的。人在行走時，一側足跟著地到該側足跟再次著地的過程被稱為一個步態周期[10]，每一個步態周期分為支撐相和擺動相兩個階段[11]。圖1是人體行走的一個右下肢步態周期圖[12]。

圖1 人體行走的步態周期圖

通過查閱相關資料：健康人行走的步長約為500 mm-800 mm，步寬約8±3.5，足角約6.75°[13]。

(2)基于OpenSim的人體下肢步態仿真

OpenSim是一款完全免費，技術完全開源的一款人體運動仿真軟件。使用人員可以非常容易的在網上下載該軟件，另外也可以在OpenSim的社區論壇上下載網友共享的大量研究數據以及模型。其步態的具體過程如圖2所示。

支撐相擺動相雙支撐單支撐雙支撐初中末

圖2 仿真步態圖

步態仿真結果分析，這里對正常步態的關節角位移進行結果分析，最終得到人體下肢各個關節的角位移范圍。如圖3人體下肢關節角位移—時間曲線圖。

圖3 人體下肢關節角位移—時間曲線圖

從圖中可以得到在正常步態狀態下髖關節、膝關節以及踝關節的活動范圍。其具體范圍為：髖關節：-17°～25°；膝關節：0°～58°；踝關節：-12°～12°，并且左右腿關節是對稱的。

(3)殘障人士的步態特征設計

殘障人士與正常人行走的步態是有所區別的，除了參照正常人行走的步態特征外，還要注意適合下肢殘障人士的步態。為了使步態穩定，較容易適應，本文設計的步態具有以下三個特征。

1)步行速度慢，從而給穿戴者足夠的時間來調整行走的重心平穩；

2)步長短，讓重心盡可能的接近腳板平衡區域，易于調整重心平衡；

3)行走的單支撐相中有一個較短的平衡過程，然后再快速邁步，這主要是方便穿戴者找到步態的節奏。

2 外骨骼機器人三維建模與導入

(1)構建外骨骼機器人模型

圖4 外骨骼機器人整機三維模型

查閱相關手冊確定整體結構的一些基本參數，從而構建各模塊的Pro/E三維模型；并各個模塊模型裝配起來，得到外骨骼機器人整機三維模型如圖4 所示。

(2)將構建的模型導入到Admas

圖5 導入的機器人模型和穿戴模型圖

首先在Adams軟件環境下構建起一個虛擬樣機，將Pro/E中的模型另存為Parasolid格式(擴展名為*.X_T)。其次為了使仿真更接近實際情況，構建的虛擬樣機除了從Pro/E中導入外骨骼機器人三維模型外，還需要在Adams中構建外骨骼機器人的“穿戴者”模型。外骨骼機器人導入模型和外骨骼機器人“穿戴”模型如圖5所示。

3 外骨骼機器人運動副和驅動設置

根據人體下肢運動機理研究，外骨骼機器人的運動副和驅動設置如圖6(a)所示，髖關節和膝關節的驅動結構的運動副和驅動設置是一致的，在螺桿上設置螺旋副和轉動副，其中轉動副設置為虛擬驅動，與螺桿配合的螺母設置移動副，連桿兩頭設置轉動副，其詳細設置情況如圖6(b)所示。另外，踝關節上設置轉動副，且轉動副設置為虛擬驅動，詳細設置如圖6(c)所示。

圖6 詳細的運動副和驅動設置

4 外穿戴行走仿真分析

(1)仿真準備工作

行走仿真分析準備工作，主要有構建大地模型添加機器人模型與大地之間的約束和作用力，添加驅動函數兩個方面。

在仿真分析前，可以添加身軀與大地以及腳板與大地之間的平行副，其中身軀與大地之間的平行副約束可以保證模型在行走的過程中，人的身軀始終垂直于地面，從而避免仿真過程中因為重心不穩而摔倒；而腳板與大地之間的平行副約束可以保證在行走的過程中，腳板始終與大地之間平行，從而避免了腳板拖在地面上，影響行走仿真的可靠性。仿真時一些基本的前提參數如表1所示。

表1 基本的前提參數

穿戴行走有4個關節的虛擬驅動，即左右髖關節和膝關節有主動驅動，踝關節為被動驅動。可以使用Adams中的AKISPL樣條函數作為驅動函數。如圖7至10所示，其中X坐標代表時間，單位是s，Y坐標代表角位移，單位是度。

(2)穿戴行走運動學仿真分析

圖7 右髖關節的驅動函數樣條曲線圖

圖8 左膝關節的驅動函數樣條曲線圖

圖9 左髖關節的驅動函數樣條曲線圖

圖10 右膝關節的驅動函數樣條曲線圖

設置仿真時長為4 s，仿真步數是5000，具體的行走運動學仿真過程如圖11所示。

對所仿真得到的運動學曲線進行分析，研究相關的步態參數信息，從而得到左右髖關節和左右膝關節的角位移時間曲線分別如圖12和圖13所示。

初始單支撐相雙支撐相單支撐相雙支撐相擺動相

圖11 穿戴行走運動學仿真過程

圖12 左右髖關節的角位移時間曲線

圖13 左右膝關節的角位移時間曲線

可以很明顯的看出，在2 s-4 s的一個步態周期里，左右膝關節和左右髖關節的角位移是呈現左右對稱的特征。髖關節的角位移范圍和Opensim仿真正常人行走步態的角位移范圍一致，但膝關節角位移范圍則偏小，這主要是考慮到實際穿戴者為殘障人士，為了步態的穩定性，通過使膝關節角位移范圍的縮小從而減小步長。

左右髖關節和膝關節的角速度時間曲線如圖14和圖15所示。

從圖中可以看出這個速度比正常人的速度稍慢一些，滿足殘障人士步態特征一。

圖14 左右髖關節的角速度時間曲線

圖15 左右膝關節的角速度時間曲線

機器人左右足的重心位移時間曲線和機器人前進速度時間曲線分別如圖16和圖17所示。

圖16 左右足的重心位移時間曲線

圖17 機器人前進速度時間曲線

從這個圖中可以看出行走的一個步長比健康人步長小，符合殘障人士步態特征二。

從圖可以得到，機器人前行的時候就和正常人一樣是有節奏的，這樣便于穿戴者找到行走的節奏，從而適應步態也符合特征三。綜上可以看出，外骨骼機器人結構可以完成穿戴行走運動，是合理的。

(3)穿戴行走動力學仿真分析

穿戴行走的動力學分析主要是為了研究整個穿戴行走的過程中受力的特點，從而更改機械結構的材料以及指導電機等部件的選型。下面對相關動力學參數曲線分析時，會對這兩個方面進行闡述。

腿的電機減速器輸出扭矩曲線圖以及輸出功率曲線圖。分別如圖18和圖19所示。

圖18 腿電機減速器輸出扭矩時間曲線

圖19 腿電機減速器輸出功率時間曲線

從這幾個曲線圖可以得出，在穿戴行走的過程中有如下動力學特點：

①當行走腿踏上地面的瞬間，電機減速器會輸出較大的扭矩和功率。

②當處于單支撐相時，離地腿的髖關節和膝關節減速器輸出扭矩和功率都很小，且髖關節的扭矩大于膝關節，而踩地腿的髖關節和膝關節減速器輸出扭矩和功率較大，其膝關節的扭矩大于髖關節。

該行走仿真屬于多剛體的動力學仿真，行走時由于瞬間的碰撞會使扭矩和功率偏大。從扭矩曲線圖和功率曲線圖中可以看出該電機是足以帶動該外骨骼機器人完成行走的。另外減小沖擊可以采取以下改進措施：將外骨骼機器人的鞋底換成塑料等能緩沖的材料；實際的行走過程可以輔助拐杖來進行；也可以通過不斷優化步態來減小沖擊。

5 總結與展望

本文結合人體下肢運動機理，提出了殘障人士步態特征，主要通過Adams進行仿真分析，根據運動學和動力學仿真結果曲線，得出了行走步態的運動學特征以及受力特征，一一論證了所提出的步態特征，說明所設計的步態特征是合理的，符合殘障人士步態特征。同時根據Adams仿真的角速度與角加速度等參數，為電機和減速器的選型提供了重要依據，為進一步設計出一種新型穿戴式下肢助行外骨骼機器人樣機提供參考。

總體來說，采用虛擬樣機技術避免了物理樣機的建造，在設計階段就可以分析優化各種性能參數和指導零部件的選型，同時也能預測其在實際條件下的整體性能，從而有利于縮短研發周期降低成本。本文主要是結合人體步態研究，并在Adams中建立外骨骼機器人的虛擬樣機，通過虛擬樣機行走仿真來分析步態特征和步態設計，為步態研究提供一個新的思路，同時也對以后步態規劃以及行走的合理性提供依據。

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